JP4858974B2 - Method to improve plant productivity by chloroplast engineering - Google Patents
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Description
本発明は、光合成活性が高く、特に二酸化炭素の固定に優れた形質転換植物に関するものである。 The present invention relates to a transformed plant having high photosynthetic activity and particularly excellent fixation of carbon dioxide.
植物は光合成を行い、大気中の二酸化炭素を固定し生物のエネルギー源となる糖や有機物を合成する。植物において、大気中の二酸化炭素を固定し、二酸化炭素から糖を合成する過程はカルビンサイクルと呼ばれる。カルビンサイクルでは、光のエネルギーを必要とせず、以下の2つの段階に分けられている。第1段階は、リブロース−1,5−ビスリン酸(RuBP)と二酸化炭素から3−ホスホグリセリン酸(PGA)が合成され、さらにこれが還元されてグリセルアルデヒド−3−リン酸(GAP)が合成される過程である。第2段階は合成されたGAPの一部は糖(光合成生成物)の合成に使われ、残りのGAPは、フルクトース1,6−ビスリン酸(FBP)からフルクトース6−リン酸(F6P)、セドヘプツロース1,7−ビスリン酸(SBP)、セドヘプツロース7−リン酸(S7P)、リボース5−リン酸などを経てRuBPに再生される過程である。この時、RuBPからPGAの合成、すなわちカルビンサイクルへの二酸化炭素の取り込みはリブロース−1,5−ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ(以下、ルビスコ(Rubisco)と略称する。)によって触媒される。第2段階においては、アルドラーゼ〔GAPとジヒドロキシアセトンリン酸(DHAP)からFBPへの反応と、DHAP及びエリトロース4−リン酸(E4P)からSBPへの反応をそれぞれ可逆的に触媒する酵素〕、フルクトース1,6−ビスホスファターゼ(FBPase;FBPからF6Pへの反応を触媒する酵素)、セドヘプツロース1,7−ビスホスファターゼ(SBPase;SBPからS7Pへの反応を触媒する酵素)、トランスケトラーゼが律速酵素として代謝反応を担っている。 Plants carry out photosynthesis, fix carbon dioxide in the atmosphere, and synthesize sugar and organic matter that are the energy source of living organisms. In plants, the process of fixing atmospheric carbon dioxide and synthesizing sugar from carbon dioxide is called the Calvin cycle. The Calvin cycle does not require light energy and is divided into the following two stages. In the first stage, 3-phosphoglycerate (PGA) is synthesized from ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) and carbon dioxide, and this is further reduced to synthesize glyceraldehyde-3-phosphate (GAP). Is a process. In the second stage, a part of the synthesized GAP is used for the synthesis of sugar (photosynthesis product), and the remaining GAP is changed from fructose 1,6-bisphosphate (FBP) to fructose 6-phosphate (F6P), cedoheptulose. This process is regenerated to RuBP via 1,7-bisphosphate (SBP), sedheptulose 7-phosphate (S7P), ribose 5-phosphate, and the like. At this time, synthesis of PGA from RuBP, that is, incorporation of carbon dioxide into the Calvin cycle is catalyzed by ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase / oxygenase (hereinafter abbreviated as Rubisco). In the second stage, aldolase [an enzyme that reversibly catalyzes the reaction from GAP and dihydroxyacetone phosphate (DHAP) to FBP and the reaction from DHAP and erythrose 4-phosphate (E4P) to SBP, respectively), fructose 1,6-bisphosphatase (FBPase; an enzyme that catalyzes the reaction from FBP to F6P), sedheptulose 1,7-bisphosphatase (SBPase; an enzyme that catalyzes the reaction from SBP to S7P), transketolase as a rate-limiting enzyme It is responsible for metabolic reactions.
カルビンサイクルで作用する多くの酵素は、二酸化炭素固定の連続した反応を維持するのに必要とされるレベル以上に存在するものもある。しかしFBPase及びSBPaseはカルビンサイクルで重要な律速酵素でありながら、そのレベルは、カルビンサイクルの他の酵素に比較して極端に低いことが知られている(参照:ミヤガワ(Miyagawa)ら、ネイチャー・バイオテクノロジー(Nature Biotechnolgy)2001年、第19巻、p.965−969)。 Many enzymes that act in the Calvin cycle are present above the levels required to maintain a continuous reaction of carbon dioxide fixation. However, while FBPase and SBPase are important rate-limiting enzymes in the Calvin cycle, their levels are known to be extremely low compared to other enzymes in the Calvin cycle (see: Miyagawa et al., Nature. Biotechnology (Nature Biotechnology 2001, 19th volume, p. 965-969).
このため、光合成能を高めるトランスジェニック植物として、植物の葉に特有の葉肉細胞から得られるサイトゾルのフルクトース−1,6−ビスホスファターゼ遺伝子(cy−FBPase遺伝子)を永続的に特異的に発現させるプロモーターを有するベクター及び、該ベクターにより形質転換されたトランスジェニック植物が報告されている(WO98/18940)。 For this reason, a cytosolic fructose-1,6-bisphosphatase gene (cy-FBPase gene) obtained from mesophyll cells peculiar to plant leaves is permanently and specifically expressed as a transgenic plant that enhances photosynthetic ability. A vector having a promoter and a transgenic plant transformed with the vector have been reported (WO 98/18940).
また、ラン藻Synechococcus PCC7942遺伝子由来のFBP/SBPaseを形質発現させる方法が報告されている。この方法によると、形質転換された植物は野生株に比べ高い光合成活性を持ち、生育が促進されることが知られている(参照:特開2000−253768号公報;ミヤガワ(Miyagawa)ら、ネイチャー・バイオテクノロジー(Nature Biotechnolgy)2001年、第19巻、p.965−969)。 A method for expressing FBP / SBPase derived from the cyanobacterium Synechococcus PCC7942 gene has also been reported. According to this method, it is known that transformed plants have a higher photosynthetic activity than wild-type strains and promote growth (see: JP 2000-253768; Miyagawa et al., Nature -Biotechnology (Nature Biotechnology 2001, 19th volume, p.965-969).
しかし、上記のいずれの形質転換体も、遺伝子を用いて構築されたプラスミドをアグロバクテリウム ツメファシエンスに導入し、葉ディスクに感染させることによって、各遺伝子を葉核ゲノムに導入されるものである。このため、植物に導入された遺伝子の発現タンパク質は、葉緑体に移行する確率が低かった。 However, in any of the above transformants, each gene is introduced into the leaf nucleus genome by introducing a plasmid constructed using the gene into Agrobacterium tumefaciens and infecting the leaf disk. For this reason, the expression protein of the gene introduced into the plant had a low probability of transferring to the chloroplast.
また、核ゲノムへの異種遺伝子の導入は、導入した人工改変遺伝子が交雑、交配等により環境へ拡散していく懸念がある。さらに、このようにして導入された遺伝子の発現は不安定で、植物体ごとに発現量、ひいてはその効果は大きく異なる。 In addition, introduction of a heterologous gene into the nuclear genome may cause the introduced artificially modified gene to spread to the environment by crossing or mating. Furthermore, the expression of the gene thus introduced is unstable, and the expression level and thus the effect varies greatly from plant to plant.
高等植物の葉緑体は、成葉1細胞あたり100個程度存在し、葉緑体1個あたり100コピーの葉緑体ゲノム遺伝子が存在する(アーカイブス・オブ・バイオテクノロジー・アンド・バイオフィジックス(Archives of Biotechnology and Biophysics)、1996年、第334巻、p. 27−36;ベンディッヒ・エー・ジェイ(Bendich,A.J.)、バイオエッセイズ(BioEssays)、1987年、第6巻、p.279−282参照)。 There are about 100 chloroplasts per adult cell, and there are 100 copies of chloroplast genome genes per chloroplast (Archives of Biotechnology and Biophysics (Archives). of Biotechnology and Biophysics), 1996, 334, p. 27-36; Bendich, AJ, BioEssays, 1987, 6, 279. -282).
このことは、もし1コピーの外来遺伝子を葉緑体ゲノムに挿入した場合、形質転換体においては細胞あたり1万コピー存在することになり、コピー数の多さから導入遺伝子の高発現が期待できる(マリガ・ピー(Maliga,P.)、トレンズ・イン・バイオテクノロジー(Trends in biotechnology)、1993年、第11巻、p.101−107参照)。 This means that if one copy of a foreign gene is inserted into the chloroplast genome, there will be 10,000 copies per cell in the transformant, and high expression of the transgene can be expected due to the large number of copies. (See Mariga, P., Trends in biotechnology, 1993, 11, p. 101-107).
さらに、葉緑体への遺伝子導入は相同組み換えを利用するため、核への挿入時に見られる位置効果がおこらず、安定した遺伝子発現が行われる。また、葉緑体は母性遺伝をするため、導入した遺伝子の花粉を介した環境への飛散を防ぐことができる等、葉緑体への遺伝子導入は利点が多いと考えられている。 Furthermore, since gene introduction into chloroplasts utilizes homologous recombination, the position effect seen at the time of insertion into the nucleus does not occur, and stable gene expression is performed. In addition, since chloroplasts are maternally inherited, gene transfer into chloroplasts is considered to have many advantages, such as prevention of scattering of the introduced gene into the environment through pollen.
目的タンパク質を葉緑体において高度に発現させることができる発現ベクター、及び該発現ベクターを用いて形質転換させた形質転換葉緑体、該形質転換葉緑体を有する植物が知られている。この発現ベクターは、psbAプロモーターと、タンパク質をコードする遺伝子の翻訳開始点の上流にリボゾーム結合部位を有することを特徴としている。本方法は、薬理活性を有するタンパク質、医薬品工業用材料等として有用なタンパク質を、微生物による製造に換えて、植物を使用して製造することを目的としたものである。該実施例において、緑色蛍光蛋白の遺伝子を用いて形質転換された植物に、その蛋白の発現が確認されている(マリガ・ピー(Maliga,P.)、トレンズ・イン・バイオテクノロジー(Trends in biotechnology)、1993年、第11巻、p.101−107参照)。 An expression vector capable of highly expressing a target protein in a chloroplast, a transformed chloroplast transformed with the expression vector, and a plant having the transformed chloroplast are known. This expression vector is characterized by having a psbA promoter and a ribosome binding site upstream of the translation start point of the gene encoding the protein. The purpose of this method is to produce a protein having pharmacological activity, a protein useful as a material for the pharmaceutical industry, etc. using a plant instead of production by a microorganism. In this example, expression of the protein has been confirmed in plants transformed with the gene for green fluorescent protein (Maliga, P., Trends in biotechnology). 1993, Vol. 11, p. 101-107).
しかし、本文献には、植物において光合成活性や二酸化炭素の固定を改善すること等についての記載はなく、またカルビンサイクルの律速酵素であるFBPase又はSBPase、或いはそれらの遺伝子についての記載も認められない。 However, in this document, there is no description about improving photosynthetic activity or carbon dioxide fixation in plants, nor is there any description about FBPase or SBPase, which is the rate-limiting enzyme of the Calvin cycle, or their genes. .
本発明の課題は、高等植物中で光合成、特にカルビンサイクルに関与する酵素の遺伝子を形質発現させることによって、野生株に比べ高い光合成活性を持ち、生育が促進される形質転換植物を作製することである。より、詳しくは葉緑体DNAにカルビンサイクル反応を律速している酵素の遺伝子を導入し、光合成能が増強された形質転換葉緑体を有する植物を作製することである。 An object of the present invention is to produce a transgenic plant that has higher photosynthetic activity and promotes growth than a wild strain by expressing a gene of an enzyme involved in photosynthesis, particularly in the Calvin cycle, in higher plants. It is. More specifically, the gene of an enzyme that controls the Calvin cycle reaction is introduced into chloroplast DNA to produce a plant having a transformed chloroplast with enhanced photosynthetic ability.
本発明者らは、FBPase及び/又はSBPaseを有するタンパク質を高等植物の葉緑体中で確実に発現させることができる形質転換技術を見出した。また形質転換された植物は高い光合成活性を有するのみならず、より大きな植物体を有する植物に成長することを見出した。本発明は、これらの知見を基礎として更に種々研究を重ね完成されたものである。 The present inventors have found a transformation technique capable of reliably expressing a protein having FBPase and / or SBPase in the chloroplast of a higher plant. It was also found that the transformed plant not only has high photosynthetic activity, but also grows into a plant having a larger plant body. The present invention has been completed by repeating various studies based on these findings.
すなわち、本発明は、
(1)ルビスコ大サブユニットとアセチルCoAカルボキシラーゼのサブユニット遺伝子の間にFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を含むDNAフラグメントを含んだ光合成活性を高める発現カセットを有する遺伝子組み換えベクター、
(2)FBPase活性を有するタンパク質が、次のいずれかである上記(1)に記載のベクター;
(a)配列表の配列番号1に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質;
(b)配列表の配列番号1において、1又は数個のアミノ酸が欠失、置換、付加もしくは挿入されたアミノ酸配列を有し、かつFBPase活性を有するタンパク質;又は
(c)配列表の配列番号1に記載のアミノ酸配列と少なくとも60%以上の相同性を有し、かつFBPase活性を有するタンパク質、
(3)FBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が、次のいずれかのDNAからなる遺伝子である、上記(1)に記載のベクター;
(a)配列表の配列番号2に記載の塩基配列からなるDNA;
(b)配列表の配列番号2において、1又は数個の塩基が欠失、置換、付加もしくは挿入された塩基配列を有し、かつFBPase活性を有するタンパク質をコードするDNA;又は
(c)配列表の配列番号2に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつFBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNA;又は
(d)配列表の配列番号2に記載の塩基配列からなるDNAと少なくとも60%以上の相同性を有し、かつFBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNA、
(4)SBPase活性を有するタンパク質が、次のいずれかである上記(1)に記載のベクター;
(a)配列表の配列番号3に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質;
(b)配列表の配列番号3において、1又は数個のアミノ酸が欠失、置換、付加もしくは挿入されたアミノ酸配列を有し、かつSBPase活性を有するタンパク質;又は
(c)配列表の配列番号3に記載のアミノ酸配列と少なくとも60%以上の相同性を有し、かつSBPase活性を有するタンパク質、
(5)SBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が、次のいずれかのDNAからなる遺伝子である、上記(1)に記載のベクター;
(a)配列表の配列番号4に記載の塩基配列からなるDNA;
(b)配列表の配列番号4において、1又は数個の塩基が欠失、置換、付加もしくは挿入された塩基配列を有し、かつSBPase活性を有するタンパク質をコードするDNA;
(c)配列表の配列番号4に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつSBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNA;又は
(d)配列表の配列番号4に記載の塩基配列からなるDNAと少なくとも60%以上の相同性を有し、かつSBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNA、
(6)FBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質が、次のいずれかである上記(1)に記載のベクター;
(a)配列表の配列番号5に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質;
(b)配列表の配列番号5において、1又は数個のアミノ酸が欠失、置換、付加もしくは挿入されたアミノ酸配列を有し、かつFBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質;又は
(c)配列表の配列番号5に記載のアミノ酸配列と少なくとも60%以上の相同性を有し、かつFBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質、
(7)FBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が、次のいずれかのDNAからなる遺伝子である、上記(1)に記載のベクター;
(a)配列表の配列番号6に記載の塩基配列からなるDNA;
(b)配列表の配列番号6において、1又は数個の塩基が欠失、置換、付加もしくは挿入された塩基配列を有し、かつFBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質をコードするDNA;
(c)配列表の配列番号6に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつFBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNA;又は
(d)配列表の配列番号6に記載の塩基配列からなるDNAと少なくとも60%以上の相同性を有し、かつFBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNA、
(8)発現カセットが、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を含むDNAフラグメントの翻訳開始点の上流にリボゾーム結合部位を有することを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれかに記載のベクター、
(9)発現カセットが、リボゾーム結合部位の上流にプロモーター、及びFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を含むDNAフラグメントの下流にターミネーターを有することを特徴とする上記(8)に記載のベクター、
(10) プロモーター及びターミネーターがそれぞれタバコ葉緑体由来のプロモーター及びターミネーターであることを特徴とする上記(9)に記載のベクター、
(11)ルビスコ大サブユニット遺伝子とアセチルCoAカルボキシラーゼのサブユニット遺伝子がそれぞれタバコ由来の遺伝子である上記(1)〜(10)のいずれかに記載のベクター、
(12)タバコ由来のルビスコ大サブユニット遺伝子とアセチルCoAカルボキシラーゼのサブユニット遺伝子の間に、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を含むDNAフラグメントを有し、上記DNAフラグメントの翻訳開始点の上流にリボゾーム結合部位を有し、さらに、上記ルビスコ大サブユニット遺伝子とリボゾーム結合部位の間にタバコ由来のプロモーターを有し、そして上記アセチルCoAカルボキシラーゼのサブユニット遺伝子とDNAフラグメントの間にタバコ由来のターミネーターを有する発現カセットを有する遺伝子組み換えベクター、
(13)上記(1)〜(12)のいずれかに記載のベクターを葉緑体に導入した形質転換葉緑体、
(14)上記(13)に記載の形質転換葉緑体を有する植物、
(15)植物がタバコである上記(14)に記載の植物、及び
(16)葉緑体形質転換の手法を用いて、高等植物の葉緑体ゲノムにFBP/SBP遺伝子を導入、発現させることにより、FBPase活性を元の植物の2倍以上に高めた植物、
に関する。
That is, the present invention
(1) A gene recombination vector having an expression cassette that enhances photosynthetic activity, comprising a DNA fragment containing a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity between a rubisco large subunit and an acetyl CoA carboxylase subunit gene ,
(2) The vector according to (1) above, wherein the protein having FBPase activity is any of the following:
(A) a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1 in the Sequence Listing;
(B) a protein having an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or inserted in SEQ ID NO: 1 in the sequence listing and having FBPase activity; or (c) a sequence number in the sequence listing A protein having at least 60% homology with the amino acid sequence according to 1 and having FBPase activity;
(3) The vector according to (1) above, wherein the gene encoding a protein having FBPase activity is a gene consisting of any of the following DNAs:
(A) DNA comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing;
(B) DNA encoding a protein having a base sequence in which one or several bases are deleted, substituted, added or inserted and having FBPase activity in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing; or (c) DNA consisting of a base sequence encoding a protein that hybridizes under stringent conditions with a DNA consisting of a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence table; or ( d) DNA consisting of a base sequence encoding a protein having at least 60% homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 2 in the sequence listing and having FBPase activity;
(4) The vector according to (1) above, wherein the protein having SBPase activity is any of the following:
(A) a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 3 in the sequence listing;
(B) a protein having an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or inserted and having SBPase activity in SEQ ID NO: 3 in the sequence listing; or (c) SEQ ID NO: in the sequence listing A protein having at least 60% homology with the amino acid sequence according to 3, and having SBPase activity;
(5) The vector according to (1) above, wherein the gene encoding a protein having SBPase activity is a gene consisting of any of the following DNAs;
(A) DNA comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing;
(B) DNA encoding a protein having a base sequence in which one or several bases are deleted, substituted, added or inserted in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing and having SBPase activity;
(C) consisting of a base sequence encoding a protein that hybridizes under stringent conditions with a DNA consisting of a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 4 in the sequence listing and has SBPase activity DNA; or (d) DNA consisting of a base sequence encoding a protein having at least 60% homology with the DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 4 of the Sequence Listing and having SBPase activity,
(6) The vector according to (1) above, wherein the protein having FBPase activity and SBPase activity is any of the following:
(A) a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 5 in the Sequence Listing;
(B) a protein having an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or inserted in SEQ ID NO: 5 in the sequence listing, and having FBPase activity and SBPase activity; or (c) sequence listing A protein having at least 60% homology with the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5 and having FBPase activity and SBPase activity,
(7) The vector according to (1) above, wherein the gene encoding a protein having FBPase activity and SBPase activity is a gene comprising any of the following DNAs:
(A) DNA comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 6 in the sequence listing;
(B) a DNA encoding a protein having a base sequence in which one or several bases are deleted, substituted, added or inserted in SEQ ID NO: 6 in the sequence listing and having FBPase activity and SBPase activity;
(C) a base that hybridizes under stringent conditions with a DNA comprising a base sequence complementary to the DNA comprising the base sequence set forth in SEQ ID NO: 6 in the sequence listing and encodes a protein having FBPase activity and SBPase activity DNA comprising a sequence; or (d) from a base sequence encoding a protein having at least 60% homology with a DNA comprising a base sequence set forth in SEQ ID NO: 6 in the sequence listing and having FBPase activity and SBPase activity. DNA,
(8) The above (1) to (7), wherein the expression cassette has a ribosome binding site upstream of the translation start point of a DNA fragment comprising a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity. A vector according to any one of
(9) In the above (8), the expression cassette has a terminator downstream of a DNA fragment containing a promoter and a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity upstream of the ribosome binding site. The described vector,
(10) The vector according to (9) above, wherein the promoter and terminator are a tobacco chloroplast-derived promoter and terminator,
(11) The vector according to any one of (1) to (10) above, wherein each of the rubisco large subunit gene and the subunit gene of acetyl CoA carboxylase is a tobacco-derived gene,
(12) Translation of the above DNA fragment having a DNA fragment containing a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity between a tobacco-derived large Rubisco subunit gene and a subunit gene of acetyl CoA carboxylase A ribosome binding site upstream of the start point; a tobacco-derived promoter between the rubisco large subunit gene and the ribosome binding site; and between the acetyl-CoA carboxylase subunit gene and the DNA fragment. A recombinant vector having an expression cassette having a terminator derived from tobacco,
(13) A transformed chloroplast in which the vector according to any one of (1) to (12) is introduced into a chloroplast,
(14) A plant having the transformed chloroplast according to (13),
(15) The FBP / SBP gene is introduced and expressed in the chloroplast genome of a higher plant using the plant according to (14) above, wherein the plant is tobacco, and (16) the chloroplast transformation technique. A plant that has increased FBPase activity more than twice the original plant,
About.
また、本発明は葉緑体DNAの遺伝子間の非コード領域にFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を含むDNAフラグメントを挿入し、形質転換された葉緑体を有する植物を生産する方法に関する。 Further, the present invention provides a plant having a transformed chloroplast by inserting a DNA fragment containing a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity into a non-coding region between chloroplast DNA genes. Relates to the method of production.
本発明のベクターは、確実に高等植物の葉緑体へ、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質を導入できる。本発明のベクターにより形質転換された植物は、カルビンサイクルの律速酵素であるFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質の発現が増強されるので、野性株よりも光合成能が強化される。この結果、本発明の形質転換植物は、野生株に比べて、糖、デンプンの合成能力が増大し得る。また、本発明の形質転換植物は、背丈が大きく、また葉の面積も大きく、茎も太くなり、早く生育し得る。したがって、本発明のベクターを用いた形質転換植物の栽培は、早生、高収量植物を作出する上で非常に有効な手段となり得る。 The vector of the present invention can reliably introduce a protein having FBPase activity and / or SBPase activity into chloroplasts of higher plants. A plant transformed with the vector of the present invention has enhanced expression of a protein having FBPase activity and / or SBPase activity, which are rate-limiting enzymes of the calbin cycle, and thus has a higher photosynthetic ability than a wild strain. As a result, the transformed plant of the present invention can increase the ability to synthesize sugar and starch as compared to the wild type. Moreover, the transformed plant of the present invention has a large height, a large leaf area, a thick stem, and can grow quickly. Therefore, cultivation of a transformed plant using the vector of the present invention can be a very effective means for producing a fast-growing, high-yield plant.
本発明の形質転換植物は、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が核ゲノムではなく、葉緑体ゲノムに直接導入されるため、導入された遺伝子の花粉による拡散の恐れがない。すなわち、例えば核に遺伝子が導入された植物のように、花粉が風や昆虫により広範囲に撒き散らされ、動植物界への悪影響を与える等の環境汚染の心配がない。また、形質転換体の間で発現が安定している。また、葉緑体ゲノムに直接導入された本発明の形質転換植物は、核に遺伝子が導入された形質転換植物に比較して、糖、デンプンの合成能力が増大し、背丈、葉が大きくなり、早生、高収量植物に生育し得る。 In the transformed plant of the present invention, since a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity is directly introduced into the chloroplast genome instead of the nuclear genome, there is a risk of spreading by the pollen of the introduced gene. Absent. That is, there is no concern about environmental pollution such as pollen being scattered over a wide area by wind or insects, such as a plant having a gene introduced into the nucleus. Moreover, expression is stable among the transformants. In addition, the transformed plant of the present invention directly introduced into the chloroplast genome has an increased ability to synthesize sugar and starch, and the height and leaves become larger compared to the transformed plant into which the gene has been introduced into the nucleus. Can grow into early, high yielding plants.
組み換えDNA技術を利用して、高等植物の一次代謝である光合成の機能を改善し、早生、収穫量の増大が可能であるので、将来の食料危機に対応する上で極めて重要な技術となり得る。 Recombinant DNA technology can be used to improve the function of photosynthesis, which is the primary metabolism of higher plants, and to increase early harvest and yield, so it can be an extremely important technology in responding to the future food crisis.
また、本発明の形質転換植物は、光合成のうち、特に二酸化炭素固定に重要な役目を果たすカルビンサイクルの律速酵素が増強される。このため、本発明の形質転換植物は、大気中の二酸化炭素の取り込み率を高め、大気中の二酸化炭素濃度を低減できるので、該植物の栽培は、地球温暖化の抑制にも貢献できる。 In addition, the transgenic plant of the present invention has an enhanced rate-limiting enzyme in the Calvin cycle that plays an important role in carbon dioxide fixation in photosynthesis. For this reason, since the transformed plant of this invention can raise the uptake | capture rate of the carbon dioxide in air | atmosphere, and can reduce the carbon dioxide density | concentration in air | atmosphere, cultivation of this plant can also contribute to suppression of global warming.
本発明に使用されるFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質は、カルビンサイクルの律速酵素となり得るタンパク質である。該タンパク質は、FBPase及び/又はSBPaseのいずれの酵素活性を有するものであっても、また両方の酵素活性を併せ持つものであってもよい。特に、高等植物では、カルビンサイクルの一連の反応において、その反応の全体としての速度を支配するペースメーカー酵素となり得るSBPaseの酵素活性を有するタンパク質並びに、FBPase及びSBPaseの両活性を有するタンパク質(以下、FBP/SBPaseと略称する。)が好ましい。 The protein having FBPase activity and / or SBPase activity used in the present invention is a protein that can be a rate-limiting enzyme of the Calvin cycle. The protein may have any enzyme activity of FBPase and / or SBPase, or may have both enzyme activities. In particular, in higher plants, in a series of reactions in the Calvin cycle, a protein having an enzymatic activity of SBPase that can be a pacemaker enzyme that governs the overall rate of the reaction, and a protein having both FBPase and SBPase activities (hereinafter referred to as FBP). / Abbreviated as SBPase).
FBPase活性を有する蛋白質としては、例えば配列番号1で示されるアミノ酸配列を挙げることができる。また、SBPase活性を有する蛋白質としては、例えば配列番号3で示されるアミノ酸配列を挙げることができる。FBP/SBPase活性を示すタンパク質としては、例えば配列番号5で示されるラン藻由来のFBP/SBPaseのアミノ酸配列を挙げることができる。本発明に使用されるFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質には、上記各アミノ酸配列のうち、1又は数個のアミノ酸が欠失、置換、付加もしくは挿入されたアミノ酸配列を有し、かつそれぞれFBPase活性、SBPase活性、又はFBP/SBPase活性を有するタンパク質も含まれる。さらに、本発明に使用されるFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質には、配列番号1、3又は5に記載のアミノ酸配列と、それぞれ少なくとも60%以上の相同性を有するタンパク質、好ましくは80%以上の相同性を有するタンパク質、より好ましくは90%以上の相同性を有するタンパク質、さらに好ましくは95%以上の相同性を有するタンパク質であって、かつそれぞれFBPase活性、SBPase活性、又はFBP/SBPase活性を有するタンパク質も含まれる。 Examples of the protein having FBPase activity include the amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 1. Moreover, as a protein which has SBPase activity, the amino acid sequence shown by sequence number 3 can be mentioned, for example. Examples of the protein exhibiting FBP / SBPase activity include the amino acid sequence of cyanobacterial FBP / SBPase represented by SEQ ID NO: 5. The protein having FBPase activity and / or SBPase activity used in the present invention has an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or inserted from the above amino acid sequences, and Also included are proteins each having FBPase activity, SBPase activity, or FBP / SBPase activity. Furthermore, the protein having FBPase activity and / or SBPase activity used in the present invention is a protein having at least 60% homology with the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1, 3 or 5, preferably 80 % Or more homologous protein, more preferably 90% or more homologous protein, more preferably 95% or more homologous protein, and FBPase activity, SBPase activity, or FBP / SBPase, respectively. Proteins having activity are also included.
なお、本明細書でアミノ酸配列について「相同」というときは、タンパク質の一次構造を比較し、配列間において各々の配列を構成するアミノ酸残基の一致の程度の意味で用いる。 In the present specification, when “amino acid sequence” is referred to as “homologous”, the primary structures of proteins are compared and used to mean the degree of coincidence of amino acid residues constituting each sequence between sequences.
また、アミノ酸配列について、「1又は数個(2〜6個程度)のアミノ酸が欠失、置換、付加もしくは挿入」というときは、部位特異的突然変異誘発法などの周知の技術的方法により、天然に生じうる程度の数が、欠失、置換、付加又は挿入などされていることを意味する。 In addition, regarding the amino acid sequence, when “one or several (about 2 to 6) amino acids are deleted, substituted, added or inserted”, by a well-known technical method such as site-directed mutagenesis, It means that a naturally occurring number has been deleted, substituted, added or inserted.
本発明に使用されるFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列を含むDNAフラグメントとしては、FBPase、SBPase、FBP/SBPaseの各酵素をコードするDNA及び前記各酵素の活性部位を有するタンパク質をコードするDNAをいう。FBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列としては、例えば配列番号2に示されるDNA配列が挙げられる。SBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列としては、例えば配列番号4に示されるDNA配列が挙げられる。FBP/SBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列としては、例えば配列番号6に示されるDNA配列が挙げられる。本発明に使用されるFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードするDNAフラグメントには、上記した配列番号2、4又は6に示されるDNA配列において、1又は数個の塩基が欠失、置換、付加もしくは挿入された塩基配列を有し、かつFBPase活性、SBPase活性、又はFBP/SBPase活性を有するタンパク質をコードするDNAが含まれる。塩基配列について、「1又は数個の塩基が欠失、置換、付加もしくは挿入」というときは、部位特異的突然変異誘発法などの周知の技術的方法により、天然に生じうる程度の数(1〜数個)の塩基が、欠失、置換、付加又は挿入などされていることを意味する。 As a DNA fragment containing a base sequence encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity used in the present invention, DNA encoding each enzyme of FBPase, SBPase, FBP / SBPase and the active site of each enzyme The DNA which codes the protein which has. Examples of the base sequence encoding a protein having FBPase activity include the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 2. Examples of the base sequence encoding a protein having SBPase activity include the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 4. Examples of the base sequence encoding a protein having FBP / SBPase activity include the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 6. In the DNA fragment encoding the protein having FBPase activity and / or SBPase activity used in the present invention, one or several bases are deleted from the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 2, 4 or 6 above. DNA encoding a protein having a substituted, added or inserted base sequence and having FBPase activity, SBPase activity, or FBP / SBPase activity is included. With respect to the base sequence, when “one or several bases are deleted, substituted, added or inserted”, it is a number that can be naturally generated by a well-known technical method such as site-directed mutagenesis (1 It means that (~ several) bases have been deleted, substituted, added or inserted.
また、本発明に使用されるFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードするDNAフラグメントには、配列番号2、4又は6に示される各DNA配列と、それぞれ相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつそれぞれFBPase活性、SBPase活性、又はFBP/SBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNAが含まれる。ストリンジェントな条件下でハイブリダイズ可能なDNAとは、上記DNAをプローブとして、コロニー・ハイブリダイゼーション法、プラーク・ハイブリダイゼーション法、あるいはサザンブロットハイブリダイゼーション法などを用いることにより得られるDNAを意味する。ストリンジェントな条件とは、塩濃度、0.1〜2倍程度の濃度のSSC溶液(1倍濃度のSSC溶液の組成は、150mM塩化ナトリウム、15mMクエン酸ナトリウムよりなる。)、温度約65℃程度でのハイブリダイズ条件をいう。 In addition, the DNA fragment encoding the protein having FBPase activity and / or SBPase activity used in the present invention is a DNA comprising each DNA sequence shown in SEQ ID NO: 2, 4 or 6 and a complementary base sequence. And DNA comprising a base sequence encoding a protein that hybridizes with each other under stringent conditions and has FBPase activity, SBPase activity, or FBP / SBPase activity, respectively. DNA that can hybridize under stringent conditions means DNA obtained by using the above-mentioned DNA as a probe and using a colony hybridization method, a plaque hybridization method, a Southern blot hybridization method, or the like. The stringent conditions are an SSC solution having a salt concentration of about 0.1 to 2 times (the composition of the SSC solution having a concentration of 1 consists of 150 mM sodium chloride and 15 mM sodium citrate), and a temperature of about 65 ° C. Hybridization conditions in terms of degree.
さらに本発明に使用されるFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードするDNAフラグメントには、配列番号2、4又は6に示される各DNA配列と、それぞれ少なくとも60%以上の相同性を有し、かつそれぞれFBPase活性、SBPase活性、又はFBP/SBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNAが含まれる。相同性を有するDNAとは、ハイストリンジェントな条件において、少なくとも約60%以上の相同性を有するDNA、好ましくは約80%以上の相同性を有するDNA、より好ましくは、約90%以上の相同性を有するDNA、さらに好ましくは約95%以上の相同性を有するDNAをいう。なお、ハイストリンジェントな条件とは、例えば、ナトリウム濃度が約19〜40mM程度、好ましくは約19〜20mM程度で、温度が約50〜70℃程度、好ましくは約60〜65℃程度の条件をいう。特に、ナトリウム濃度が約19mMで温度が約65℃程度の場合が最も好ましい条件である。 Furthermore, the DNA fragment encoding the protein having FBPase activity and / or SBPase activity used in the present invention has at least 60% homology with each DNA sequence shown in SEQ ID NO: 2, 4 or 6. And DNA comprising a base sequence encoding a protein each having FBPase activity, SBPase activity, or FBP / SBPase activity. The DNA having homology is a DNA having at least about 60% homology, preferably about 80% or more homology, more preferably about 90% or more homology under highly stringent conditions. DNA having sex, more preferably DNA having homology of about 95% or more. The high stringent conditions are, for example, conditions in which the sodium concentration is about 19 to 40 mM, preferably about 19 to 20 mM, and the temperature is about 50 to 70 ° C., preferably about 60 to 65 ° C. Say. In particular, the most preferable conditions are when the sodium concentration is about 19 mM and the temperature is about 65 ° C.
なお、以下、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードするDNAフラグメント、及び上記ハイブリダイズするDNA並びに相同性を有するDNAを被導入遺伝子ともいう。 Hereinafter, a DNA fragment encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity, and the above hybridizing DNA and homologous DNA are also referred to as a transgene.
本発明の発現カセットは、葉緑体DNA中に相同的組換えによって、確実に導入されるように、被導入遺伝子の5’−及び3’−側に、葉緑体DNAの遺伝子[例えば、trnG(tRNA−Gly(GCC))、trnV(tRNA−Val(GAC))、trnfM(tRNA−fMet(CAU))、rbcL遺伝子、accD遺伝子、trnI(tRNA−Ile(GAU))とtrnA(tRNA−Ala(UGU))、3’rps12(リボソーマルプロテインS12エクソン−3)遺伝子、trnV(tRNA−Val(GAC))等]配列と相補的塩基対をつくる塩基配列を付加したものである。相補的塩基対をつくる塩基配列は、葉緑体DNAの遺伝子と相補的塩基対をつくる相同的部分を有する、約500〜1500程度の塩基配列からなる配列であれば、好ましく用いることができる。このような塩基配列としては、葉緑体DNAの遺伝子と実質的に同一の配列、葉緑体DNAの遺伝子の部分配列と実質的に同一の配列、又は葉緑体DNAの遺伝子と実質的に同一の配列を含む配列に対する相補的な塩基配列が挙げられる。 The expression cassette of the present invention has a gene of chloroplast DNA [for example, on the 5′- and 3′-side of the transgene to be surely introduced by homologous recombination into chloroplast DNA. trnG (tRNA-Gly (GCC)), trnV (tRNA-Val (GAC)), trnfM (tRNA-fMet (CAU)), rbcL gene, accD gene, trnI (tRNA-Ile (GAU)) and trnA (tRNA- Ala (UGU)), 3′rps12 (ribosomal protein S12 exon-3) gene, trnV (tRNA-Val (GAC)), etc.]] and a base sequence that forms a complementary base pair is added. The base sequence that forms a complementary base pair can be preferably used as long as it is a sequence consisting of about 500 to 1500 base sequences having a homologous part that forms a complementary base pair with a chloroplast DNA gene. Such a base sequence may be substantially the same sequence as the chloroplast DNA gene, substantially the same sequence as the partial sequence of the chloroplast DNA gene, or substantially the same as the chloroplast DNA gene. Examples include a complementary base sequence to a sequence containing the same sequence.
また、被導入遺伝子の導入位置から約1000〜1500程度の塩基配列を有し、葉緑体DNAの遺伝子(例えば、trnG、trnfM、rbcL遺伝子、accD遺伝子、trnI、trnA、3’rps12遺伝子、trnV等)と相補的塩基対をつくるものであれば、上記葉緑体DNAの遺伝子配列に限定されない。 Further, it has a base sequence of about 1000 to 1500 from the introduction site of the introduced gene, and is a chloroplast DNA gene (for example, trnG, trnfM, rbcL gene, accD gene, trnI, trnA, 3'rps12 gene, trnV Etc.), the gene sequence is not limited to the gene sequence of the chloroplast DNA.
この時、葉緑体DNAの塩基配列は、外来遺伝子が導入されること以外、変化がないことが肝要である。外来遺伝子の導入先となる葉緑体DNAの塩基配列は、すでにNCBIのデータベースに登録され、開示されている(登録番号:NC 001879)。葉緑体DNA中に被導入遺伝子が導入される位置は、好ましくは葉緑体DNAの遺伝子のtrnGとtrnfMの間、rbcL遺伝子とaccD遺伝子の間、trnIとtrnAの間、3’rps12遺伝子とtrnVの間であり、それぞれの遺伝子から充分な距離を置いた非コード領域が望ましい。前記充分な距離とは、遺伝子から少なくとも50塩基以上、好ましくは約100〜1000塩基程度、より好ましくは約200〜500塩基程度である。該非コード領域は、葉緑体DNA上のいずれの非コード領域であってもよい。 At this time, it is important that the base sequence of the chloroplast DNA does not change except that a foreign gene is introduced. The base sequence of chloroplast DNA into which a foreign gene is introduced has already been registered and disclosed in the NCBI database (registration number: NC 001879). The position where the introduced gene is introduced into the chloroplast DNA is preferably between the trnG and trnfM genes of the chloroplast DNA, between the rbcL gene and the accD gene, between trnI and trnA, and the 3'rps12 gene. Non-coding regions between trnV and a sufficient distance from each gene are desirable. The sufficient distance is at least 50 bases from the gene, preferably about 100 to 1000 bases, more preferably about 200 to 500 bases. The non-coding region may be any non-coding region on chloroplast DNA.
以下に、rbcL遺伝子とaccD遺伝子を使用した発現カセットにつき、より詳細に説明する。 Hereinafter, an expression cassette using the rbcL gene and the accD gene will be described in more detail.
光合成活性を高める発現カセットを構成するrbcL遺伝子は、葉緑体ゲノムにコードされているルビスコ(Rubisco)の遺伝子である。ルビスコは、光合成CO2固定反応回路(カルビンサイクル)において,初発段階であるCO2固定反応(カルボキシラーゼ反応)を触媒し、該回路における代謝の律速となる鍵酵素である。また、該酵素は酸素(O2)を固定する反応(オキシゲナーゼ反応)も触媒する。本発明における葉緑体由来のrbcL遺伝子としては、タバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子を好ましく用いることができる。 The rbcL gene constituting an expression cassette that enhances photosynthetic activity is a Rubisco gene encoded in the chloroplast genome. Rubisco is a key enzyme that catalyzes the initial CO 2 fixation reaction (carboxylase reaction) in the photosynthetic CO 2 fixation reaction circuit (calvin cycle), and becomes the rate-limiting of metabolism in the circuit. The enzyme also catalyzes a reaction for fixing oxygen (O 2 ) (oxygenase reaction). As the rbcL gene derived from chloroplasts in the present invention, the rbcL gene derived from tobacco chloroplasts can be preferably used.
光合成活性を高める発現カセットを構成するaccD遺伝子は、葉緑体ゲノムにコードされているアセチルCoAカルボキシラーゼの遺伝子である。アセチルCoAカルボキシラーゼは、植物において脂肪酸合成に関与している酵素である。本発明における葉緑体由来のaccD遺伝子としては、タバコ葉緑体由来のaccD遺伝子を好ましく用いることができる。 The accD gene constituting an expression cassette that enhances photosynthetic activity is an acetyl CoA carboxylase gene encoded by the chloroplast genome. Acetyl CoA carboxylase is an enzyme involved in fatty acid synthesis in plants. As the accD gene derived from chloroplasts in the present invention, an accD gene derived from tobacco chloroplasts can be preferably used.
葉緑体由来のrbcL遺伝子と葉緑体由来のaccD遺伝子とを有する発現カセットを用いることにより、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が、相同組換えにより葉緑体に組み込まれやすくなり、さらに葉緑体でのFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質の発現量が多くなるという利点ある。 By using an expression cassette having a chloroplast-derived rbcL gene and a chloroplast-derived accD gene, a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity is incorporated into chloroplasts by homologous recombination. There is an advantage that the expression level of the protein having FBPase activity and / or SBPase activity in the chloroplast is increased.
なお、rbcL遺伝子とaccD遺伝子はそれらの全長を使う必要はない。例えばrbcL遺伝子とaccD遺伝子との間の非コード領域の、被導入遺伝子の導入位置からrbcL遺伝子側又はaccD遺伝子側にそれぞれ約1000〜1500程度の塩基対の長さを有し、rbcL遺伝子又はaccD遺伝子とそれぞれ相同的組換えし得る配列であればよい。 The rbcL gene and the accD gene do not need to use the full length thereof. For example, the non-coding region between the rbcL gene and the accD gene has a length of about 1000 to 1500 base pairs from the introduction position of the introduced gene to the rbcL gene side or the accD gene side, respectively. Any sequence that can homologously recombine with a gene may be used.
また、光合成活性を高める発現カセットは、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を含むDNAフラグメントの翻訳開始点の上流に、リボゾーム結合部位を有することが好ましい。該DNAフラグメントの上流にリボソーム結合部位を置くことにより、該タンパク質を高度に発現させることができる。該リボゾーム結合部位は、タンパク質をコードする遺伝子の翻訳開始点に隣接して、あるいは上流にあってもよいが、翻訳開始点の約7〜11塩基程度上流にあることが好ましく、9塩基程度上流にあることがさらに好ましい。かかるリボゾーム結合部位は、リボゾームが結合できることが知られている自体公知の塩基配列を有していればよいが、SD配列が好ましい。SD配列は、Shine−Dalgarno配列の略称であり、4〜7個のヌクレオチドからなるセグメントであって、その塩基配列は5'−AGGAGGU−3’(配列番号18)の一部又は全部である。 Moreover, it is preferable that the expression cassette which raises photosynthesis activity has a ribosome binding site upstream of the translation start point of the DNA fragment containing the gene which codes the protein which has FBPase activity and / or SBPase activity. By placing a ribosome binding site upstream of the DNA fragment, the protein can be highly expressed. The ribosome binding site may be adjacent to or upstream of the translation start point of the gene encoding the protein, but is preferably about 7 to 11 bases upstream of the translation start point, and about 9 bases upstream. More preferably. Such a ribosome binding site may have a base sequence known per se that is known to be capable of binding to a ribosome, but an SD sequence is preferred. The SD sequence is an abbreviation for Shine-Dalgarno sequence and is a segment consisting of 4 to 7 nucleotides, and its base sequence is a part or all of 5′-AGGAGGU-3 ′ (SEQ ID NO: 18).
光合成活性を高める発現カセットには、上記リボゾーム結合部位の上流にさらに、植物細胞由来のプロモーターを有することが好ましい。該プロモーターは、リボゾーム結合部位の上流であれば、リボゾーム結合部位に隣接してもよく、約1〜30塩基程度上流にあってもよい。該プロモーターとしては、例えば、エロンゲーションファクター1α遺伝子のプロモーター(EF1αプロモーター)、35Sプロモーター、psbAプロモーター、PPDKプロモーター、PsPAL1プロモーター、PALプロモーター、UBIZM1ユビキチンプロモーター、rrnプロモーター等が挙げられる。中でも、葉緑体由来のプロモーターが好ましく、タバコ葉緑体由来のプロモーターがより好ましく、例えば配列表の配列番号7で記載されたタバコ葉緑体由来のpsbAプロモーター等を特に好ましく用いることができる。 The expression cassette that enhances photosynthesis activity preferably further has a plant cell-derived promoter upstream of the ribosome binding site. As long as the promoter is upstream of the ribosome binding site, it may be adjacent to the ribosome binding site or may be about 1 to 30 bases upstream. Examples of the promoter include an elongation factor 1α gene promoter (EF1α promoter), 35S promoter, psbA promoter, PPDK promoter, PsPAL1 promoter, PAL promoter, UBIZM1 ubiquitin promoter, rrn promoter and the like. Among them, a chloroplast-derived promoter is preferable, and a tobacco chloroplast-derived promoter is more preferable. For example, a tobacco chloroplast-derived psbA promoter described in SEQ ID NO: 7 in the Sequence Listing can be particularly preferably used.
光合成活性を高める発現カセットには、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を含むDNAフラグメントとaccD遺伝子の間に植物由来のターミネーターを有することが好ましい。該ターミネーターは、DNAフラグメントの下流であれば、DNAフラグメントに隣接してもよく、約1〜30塩基程度下流にあってもよい。該ターミネーターとしては、例えば35Sターミネーター、rps16ターミネーター、CaMV35Sターミネーター、ORF25polyA転写ターミネーター、PsbAターミネーター等が挙げられる。中でも、葉緑体由来のターミネーターが好ましく、タバコ葉緑体由来のターミネーターがより好ましく、タバコ葉緑体由来のrps16ターミネーターが最も好ましく、例えば配列表の配列番号8で記載されたタバコ葉緑体由来のrps16ターミネーターを好ましく用いることができる。 It is preferable that the expression cassette for enhancing the photosynthetic activity has a plant-derived terminator between a DNA fragment containing a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity and the accD gene. As long as the terminator is downstream of the DNA fragment, the terminator may be adjacent to the DNA fragment or may be about 1 to 30 bases downstream. Examples of the terminator include 35S terminator, rps16 terminator, CaMV35S terminator, ORF25polyA transcription terminator, PsbA terminator and the like. Among them, a terminator derived from chloroplast is preferable, a terminator derived from tobacco chloroplast is more preferable, and an rps16 terminator derived from tobacco chloroplast is most preferable, for example, derived from tobacco chloroplast described in SEQ ID NO: 8 in the Sequence Listing. Rps16 terminator can be preferably used.
また、発現カセットには、遺伝子組換え体を識別するための遺伝子を有することが好ましい。遺伝子組換え体を識別するための遺伝子としては、特に限定されず、自体公知のものを用いてよい。そのような遺伝子としては、例えば、各種の薬剤耐性遺伝子(aadA)、及び宿主の栄養要求性を相補する遺伝子などが挙げられる。より具体的には、例えば、アンピシリン耐性遺伝子、ネオマイシン耐性遺伝子(G418耐性)、クロラムフェニコール耐性遺伝子、カナマイシン耐性遺伝子、スペクチノマイシン耐性遺伝子、URA3遺伝子等が挙げられる。より具体的には、例えば配列表の配列番号9に記載されたスペクチノマイシン耐性遺伝子などを好ましく用いることができる。また、該遺伝子の上流及び下流には、それぞれ該遺伝子を認識するためのプロモーター(以下、aadAプロモーターと略記する。)及び該遺伝子のターミネーター(以下、aadAターミネーターと略記する。)を配することが好ましい。該aadAプロモーター及びaadAターミネーターは、上記した植物由来のプロモーター及びターミネーターを好ましく使用できるが、rrnプロモーター及びpsbAターミネーターが特に好適である。aadAプロモーター/aadA/aadAターミネーターをaadAカセットということもある。 The expression cassette preferably has a gene for identifying a gene recombinant. The gene for identifying the gene recombinant is not particularly limited, and a gene known per se may be used. Examples of such genes include various drug resistance genes (aadA) and genes that complement the auxotrophy of the host. More specifically, for example, ampicillin resistance gene, neomycin resistance gene (G418 resistance), chloramphenicol resistance gene, kanamycin resistance gene, spectinomycin resistance gene, URA3 gene and the like can be mentioned. More specifically, for example, the spectinomycin resistance gene described in SEQ ID NO: 9 in the sequence listing can be preferably used. Further, a promoter for recognizing the gene (hereinafter abbreviated as aadA promoter) and a terminator for the gene (hereinafter abbreviated as aadA terminator) are arranged upstream and downstream of the gene, respectively. preferable. As the aadA promoter and aadA terminator, the above-described plant-derived promoter and terminator can be preferably used, but the rrn promoter and psbA terminator are particularly suitable. The aadA promoter / aadA / aadA terminator is sometimes referred to as an aadA cassette.
遺伝子組換え体を識別するためのaadAカセットは、rbcL遺伝子とリボゾーム結合部位の上流にあるプロモーターとの間に配することが好ましい。 The aadA cassette for identifying a gene recombinant is preferably arranged between the rbcL gene and a promoter upstream of the ribosome binding site.
本発明のベクターに使用される発現カッセトは、5'側からrbcL遺伝子、aadAカセット、プロモーター、リボソーム結合部位、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を含むDNAフラグメント、ターミネーター及びaccD遺伝子の順序に構築されることが好ましい。各DNA間は連続していてもよく、あるいは各DNAの間に例えばイントロン配列等が挿入されていてもよい。 The expression cassette used in the vector of the present invention comprises, from the 5 ′ side, a DNA fragment, a terminator, and an accD containing a gene encoding a protein having rbcL gene, aadA cassette, promoter, ribosome binding site, FBPase activity and / or SBPase activity. It is preferably constructed in gene order. Each DNA may be continuous, or for example, an intron sequence may be inserted between each DNA.
本発明における遺伝子組換えベクターは、例えば以下の工程により作製することができる。 The gene recombination vector in the present invention can be prepared, for example, by the following steps.
まず、pLD6ベクターを作製する工程である。かかるベクターは、実施例の〔工程1〕に記載の方法で容易に作製することができる。pLD6の全塩基配列を配列番号10に示す。pLD6のNotIとSalIの切断部位に構築遺伝子群を挿入する。構築遺伝子群は、(a)配列番号11で表される塩基配列からなるマルチクローニング領域(配列番号10中の3698−3748に位置する)と、その上流に配列番号7で表されるタバコ葉緑体由来のpsbAプロモーター(配列番号10中の3569−3701に位置する)と、マルチクローニング領域の下流に配列番号8で表されるタバコ葉緑体由来のrps16ターミネーター(配列番号10中の3755−3913に位置する)とからなる群と、その群の上流に(b)遺伝子組換え体を識別するための遺伝子としての配列番号9で表されるスペクチノマイシン耐性遺伝子であるaadA遺伝子(配列番号10中の2369−3173に位置する)と、aadA遺伝子の上流に配列番号12で表されるタバコ葉緑体由来のrrnプロモーター(配列番号10中の2227−2368に位置する)と、aadA遺伝子の下流に配列番号13で表されるタバコ葉緑体由来のpsbAターミネーター(配列番号10中の3175−3564に位置する)とを有している。上記マルチクローニング領域の制限酵素認識部位(BglII、SphI、ClaI及びEcoRI)に、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子を挿入する。より具体的には、pLD6ベクターのマルチクローニング領域のSphIとEcoRIの切断部位に、例えば配列番号2で示されるホウレンソウ由来のFBPaseをコードする遺伝子又は配列番号4で示されるホウレンソウ由来のSBPaseをコードする遺伝子、あるいはラン藻由来の配列番号6で示されるFBP/SBPaseをコードする遺伝子等を挿入する。この場合、配列番号の第13〜17位の塩基配列(5’−aggag−3’)がSD配列に相当し、リボソーム結合部位として働く。以下、FBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が挿入された構築遺伝子群をFBP/SBP遺伝子群と称し、該遺伝子群が挿入されたpLD6ベクターをpLD6−FBP/SBPと称する。
First, a process for producing a pLD6 vector. Such a vector can be easily prepared by the method described in [Step 1] of the Examples. The entire base sequence of pLD6 is shown in SEQ ID NO: 10. A constructed gene group is inserted into the NotI and SalI cleavage sites of pLD6. The constructed gene group consists of (a) a multi-cloning region consisting of a base sequence represented by SEQ ID NO: 11 (located at 3698-3748 in SEQ ID NO: 10), and a tobacco leaf green represented by SEQ ID NO: 7 upstream thereof. A psbA promoter derived from the body (located at 3569-3701 in SEQ ID NO: 10) and an rps16 terminator derived from the tobacco chloroplast represented by SEQ ID NO: 8 downstream of the multicloning region (3755-3913 in SEQ ID NO: 10). AbA gene (SEQ ID NO: 10) which is a spectinomycin resistance gene represented by SEQ ID NO: 9 as a gene for identifying a gene recombinant (b) upstream of the group In the middle of 2369-3173), and the rrn pro from tobacco chloroplast represented by SEQ ID NO: 12 upstream of the aadA gene. And a psbA terminator derived from tobacco chloroplast represented by SEQ ID NO: 13 downstream of the aadA gene (located at 3175-3564 in SEQ ID NO: 10) have. A gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity is inserted into the restriction enzyme recognition site (BglII, SphI, ClaI and EcoRI) of the multicloning region. More specifically, the SphI and EcoRI cleavage sites of the multicloning region of the pLD6 vector, for example, encode a spinach-derived FBPase shown in SEQ ID NO: 2 or a spinach-derived SBPase shown in SEQ ID NO: 4. A gene or a gene encoding FBP / SBPase represented by SEQ ID NO: 6 derived from cyanobacteria is inserted. In this case, the nucleotide sequence (5′-aggag-3 ′) at positions 13 to 17 of SEQ ID NO corresponds to the SD sequence and serves as a ribosome binding site. Hereinafter, a constructed gene group into which a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity is inserted is referred to as an FBP / SBP gene group, and a pLD6 vector into which the gene group is inserted is referred to as pLD6-FBP / SBP.
次いで、pLD6−FBP/SBPを適当な宿主細胞に導入し、かかる宿主細胞を培養して、FBP/SBP遺伝子群をクローニングする。 Next, pLD6-FBP / SBP is introduced into an appropriate host cell, the host cell is cultured, and the FBP / SBP gene group is cloned.
宿主細胞は、自体公知の宿主細胞から適宜選択でき、具体的には、例えばエシェリヒア属菌やバチルス属菌などの原核生物、酵母や糸状菌などの真核生物、植物細胞又は動物細胞等が挙げられる。また、宿主細胞の培養条件は、宿主細胞の種類に応じて当業界で通常行われている条件に従えば良い。また、クローニングされた遺伝子にFBPase活性及び/又はSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子がうまく導入されたか否かは、pLD6−FBP/SBPが有する選択マーカー等に基づき容易に判別することができる。 Host cells can be appropriately selected from host cells known per se. Specific examples include prokaryotes such as Escherichia and Bacillus, eukaryotes such as yeast and filamentous fungi, plant cells, and animal cells. It is done. Moreover, the culture conditions for the host cells may be in accordance with the conditions commonly used in the art depending on the type of host cell. Further, whether or not a gene encoding a protein having FBPase activity and / or SBPase activity has been successfully introduced into the cloned gene can be easily determined based on a selection marker possessed by pLD6-FBP / SBP.
次いで、pLD200ベクターを作製する工程である。かかるベクターは、実施例の〔工程2〕に記載の方法で容易に作製することができる。先の工程のpLD6−FBP/SBPを用いてクローニングされた遺伝子組換え体から、NotI及びSalIを用いてFBP/SBP遺伝子群を切り出し、切り出した該遺伝子群をpLD200のポリリンカーのNotIとSalIの切断部位に挿入する。pLD200の全塩基配列を配列番号14に記載する。上記ポリリンカーは配列番号17で表される塩基配列(配列番号14の2125−2145に位置する)を有し、複数の制限酵素部位(NotI、NheI及びSalI)を有する。pLD200ベクターは、ポリリンカーとその上流に配列番号15で表される塩基配列からなるタバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子(配列番号14の423−1856に位置する。)と、その下流に配列番号16で表される塩基配列からなるタバコ葉緑体由来のaccD遺伝子(配列番号14の2624−3328に位置する。)からなる発現カセットを有することを特徴とするベクターである。このようにしてFBP/SBP遺伝子群が挿入されたpLD200ベクターをpLD200−FBP/SBPと称する。 Next, it is a step of producing a pLD200 vector. Such a vector can be easily prepared by the method described in [Step 2] of the Examples. From the recombinant gene cloned using pLD6-FBP / SBP of the previous step, the FBP / SBP gene group was excised using NotI and SalI, and the excised gene group was extracted from the polylinker NotI and SalI of pLD200. Insert at the cutting site. The entire base sequence of pLD200 is set forth in SEQ ID NO: 14. The polylinker has a base sequence represented by SEQ ID NO: 17 (located at 2125-2145 of SEQ ID NO: 14) and has a plurality of restriction enzyme sites (NotI, NheI and SalI). The pLD200 vector is a tobacco chloroplast-derived rbcL gene (located at 423-1856 of SEQ ID NO: 14) consisting of a polylinker and a base sequence represented by SEQ ID NO: 15 upstream thereof, and SEQ ID NO: 16 downstream thereof. A vector characterized by having an expression cassette consisting of an accD gene derived from tobacco chloroplasts (located at 2624-3328 of SEQ ID NO: 14) having the nucleotide sequence represented by The pLD200 vector in which the FBP / SBP gene group is thus inserted is referred to as pLD200-FBP / SBP.
上記ベクターは、自体公知のクローニングベクターに、複数の制限酵素部位を有するポリリンカー(好ましくは配列番号17で表される塩基配列の遺伝子)と、ポリリンカーの上流にタバコ葉緑体由来のrbcL遺伝子と、ポリリンカーの下流にタバコ葉緑体由来のaccD遺伝子とを挿入することにより得ることもできる。 The vector is a cloning vector known per se, a polylinker having a plurality of restriction enzyme sites (preferably a gene having a nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 17), and an rbcL gene derived from tobacco chloroplasts upstream of the polylinker. And by inserting an accD gene derived from tobacco chloroplast downstream of the polylinker.
このようにして作製された上記pLD200−FBP/SBPを宿主細胞に導入し、形質転換体を作製する。このとき、宿主細胞としては、植物細胞が好ましく、葉緑体がより好ましく、タバコ葉緑体がさらに好ましい。このように、植物細胞、特に葉緑体を宿主細胞として用いることにより、導入した遺伝子がコードするタンパク質を高発現させることができ、さらに導入した遺伝子の花粉を介した環境への飛散を防ぐことができる等の利点がある。 The pLD200-FBP / SBP prepared as described above is introduced into a host cell to prepare a transformant. At this time, the host cell is preferably a plant cell, more preferably a chloroplast, and even more preferably a tobacco chloroplast. In this way, by using plant cells, especially chloroplasts as host cells, the protein encoded by the introduced gene can be highly expressed, and further, prevention of scattering to the environment via pollen of the introduced gene is prevented. There are advantages such as being able to.
pLD200−FBP/SBPaseを宿主細胞、特に葉緑体へ導入して形質転換する方法としては、公知の方法を用いてよい。そのような方法としては、例えば、該発現ベクターを金又はタングステンの極めて細かい粒子にまぶし、この発現ベクターが付着した粒子を火薬又は高圧ガスで宿主細胞に打ち込み、該発現ベクターを導入するというパーティクルガン法などが挙げられる。中でも、高等植物の葉緑体への遺伝子導入系は、パーティクルガンによる手法(Svab,Z.,Hajdukiewicz,P.,及びMaliga,P.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1990年,第87巻,p.8526−8530)または、PEGによる手法(Golds,T.,Maliga,P.,及びKoop,H.−U.,Bio/Technol.,1993年,第11巻,p.95−97)を用いるのが好ましい。 As a method for transforming by introducing pLD200-FBP / SBPase into a host cell, particularly a chloroplast, a known method may be used. As such a method, for example, a particle gun in which the expression vector is applied to very fine particles of gold or tungsten, the particles to which the expression vector is attached is injected into a host cell with an explosive or high-pressure gas, and the expression vector is introduced. Law. Among them, a system for gene introduction into chloroplasts of higher plants is a method by particle gun (Svab, Z., Hajdukiwicz, P., and Mariga, P., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1990, No. 1). 87, p. 8526-8530) or PEG-based techniques (Golds, T., Maliga, P., and Koop, H.-U., Bio / Technol., 1993, 11, p. 95-). 97) is preferably used.
本発明に係る上記形質転換葉緑体を有する植物は、自体公知の方法によって得ることができる。ここで、上記植物は特に限定されないが、高等植物が好ましく、葉緑体形質転換系が確立されている植物がより好ましく、例えば、タバコ、イネ、ジャガイモ、ナタネ及びレタスが挙げられ、タバコが特に好ましい。タバコとしては、ニコチアナ・アキュミネート(Nicotiana acuminate)、ニコチアナ・アラタ(Nicotiana alata)、ニコチアナ・アテヌエイタ(Nicotiana attenuata)、ニコチアナ・クレベランディ(Nicotiana clevelandii)、ニコチアナ・エクセルシオール(Nicotiana excelsior)、ニコチアナ・フォルゲティアナ(Nicotiana forgetiana)、ニコチアナ・ゴッセイ(Nicotiana gossei)、ニコチアナ・グラウカ(Nicotiana glauca)、ニコチアナ・グルティノサ(Nicotiana glutinosa)、ニコチアナ・ラングスドルフィー(Nicotiana langsdorffii)、ニコチアナ・ロンギフローラ(Nicotiana longiflora)、ニコチアナ・オブツシホリア(Nicotiana obtusifolia)、ニコチアナ・パニュキュレータ(Nicotiana paniculata)、ニコチアナ・プルムバギホリア(Nicotiana plumbagifolia)、ニコチアナ・クアドリバリビス(Nicotiana quadrivalvis)、ニコチアナ・レパンダ(Nicotiana repanda)、ニコチアナ・ルスチカ(Nicotiana rustica)、ニコチアナ・サンデラエ(Nicotiana sanderae)、ニコチアナ・スーベオレンス(Nicotiana suaveolens)、ニコチアナ・シルベストリス(Nicotiana sylvestris)、ニコチアナ・タバカム(Nicotiana tabacum)、ニコチアナ・トメントサ(Nicotiana tomentosa)、ニコチアナ・トメントシホルミス(Nicotiana tomentosiformis)などが挙げられる。中でも、ニコチアナ・ルスチカ及びニコチアナ・タバカムが好ましい。特にニコチアナ・タバカムが好適であり、ニコチアナ・タバカムのうちの「バーレー種」、「黄色種(バージニア種)」、「在来種」及び「オリエント種」がとりわけ好ましい。 The plant having the above-mentioned transformed chloroplast according to the present invention can be obtained by a method known per se. Here, the plant is not particularly limited, but higher plants are preferred, plants with established chloroplast transformation systems are more preferred, and examples include tobacco, rice, potato, rapeseed, and lettuce, and tobacco is particularly preferred. preferable. As tobacco, Nicotiana acminate, Nicotiana alata, Nicotiana attenua, Nicotiana clevelandi, Nicotiana clevelandi, Nicotiana clevelandi (Nicotiana forgettiana), Nicotiana gossei, Nicotiana glauca, Nicotiana glutinosa, Nicotiana langusdolf Dorfii), Nicotiana longiflora, Nicotiana obtusifolia, Nicotiana paniculata, Nicotiana paniculata, Nicotiana pulabagiholia Nicotiana repanda, Nicotiana rustica, Nicotiana sanderae, Nicotiana suaveolens, Nicotiana silves Examples include Nicotiana sylvestris, Nicotiana tabacum, Nicotiana tomentosa, Nicotiana tomentosiformis, and the like. Of these, Nicotiana Rustica and Nicotiana Tabacam are preferable. In particular, Nicotiana tabacum is preferable, and “Burley species”, “Yellow species (Virginia species)”, “Native species”, and “Orient species” among Nicotiana tabacam are particularly preferable.
上記植物はその植物に応じた自体公知の条件で生育させことができる。 The said plant can be grown on the well-known conditions according to the plant.
なお、上記の遺伝子工学又は生物工学の操作については、市販の実験書、例えば、1982年発行のモレキュラー・クローニング(Molecular Cloning)コールド・スプリング・ハーバー・ラボラトリー(Cold Spring Harbor Laboratory)、1989年発行のモレキュラー・クローニング第2版(Molecular Cloning, 2nd ed.)コールド・スプリング・ハーバー・ラボラトリー(Cold Spring Harbor Laboratory)等に記載された方法に従って容易に行うことができる。 The above-described genetic engineering or biotechnological operations are described in commercial experiments, for example, Molecular Cloning, Cold Spring Harbor Laboratory, published in 1982, published in 1989. It can be easily performed according to the method described in Molecular Cloning, 2nd edition (Molecular Cloning, 2nd ed.) Cold Spring Harbor Laboratory, etc.
本発明に係るタバコ葉緑体ゲノム中への遺伝子導入用ベクターの構築の過程で利用したベクターのpLD6及びpLD200については、特願2001−083569で公開されている。 The vectors pLD6 and pLD200 used in the process of constructing the vector for gene introduction into the tobacco chloroplast genome according to the present invention are disclosed in Japanese Patent Application No. 2001-083569.
以下に具体的実施例を挙げ、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらに特に限定されることはない。 Specific examples will be described below in more detail, but the present invention is not particularly limited thereto.
なお、実施例で使用する各略号の意味は、次のとおりである。
S.7942:Synechococcus PCC 7942
LB培地:Luria−Bertani培地
NaCl:塩化ナトリウム
In addition, the meaning of each abbreviation used in an Example is as follows.
S. 7942: Synechococcus PCC 7942
LB medium: Luria-Bertani medium NaCl: sodium chloride
遺伝子組み換え体の作製
〔工程1〕pLD6−S.7942FBP/SBPaseの作製
配列表の配列番号2で表されるS.7942FBP/SBPase遺伝子(fbp/sbp)をタバコ葉緑体において高発現が期待できるpsbAプロモーター(PpsbA)をもつベクターpLD6の制限酵素SphIとEcoRI部位の間に挿入し、pLD6−S.7942FBP/SBPaseを作製した。この、pLD6−S.7942FBP/SBPaseを常法に従い大腸菌に導入した。この大腸菌を、スペクチノマイシンを添加したLB培地で37℃下、16時間培養し、かかる遺伝子が導入された大腸菌を選択した。選択された大腸菌を同様の条件で培養し、その後遠心分離により集菌し、常法に従いpLD6−S.7942FBP/SBPase(プラスミドDNA)を精製した。なお、LB培地1L中の組成は、10gトリプトン、5g酵母エキス、及び5gNaClである。
Preparation of gene recombinant [Step 1] pLD6-S. Preparation of 7942FBP / SBPase S. cerevisiae represented by SEQ ID NO: 2 in the sequence listing. 7942FBP / SBPase gene (fbp / sbp) was inserted between the restriction enzyme SphI and EcoRI sites of the vector pLD6 having the psbA promoter (PpsbA) that can be expected to be highly expressed in tobacco chloroplasts. 7942FBP / SBPase was prepared. This pLD6-S. 7942FBP / SBPase was introduced into E. coli according to a conventional method. This Escherichia coli was cultured in LB medium supplemented with spectinomycin at 37 ° C. for 16 hours, and Escherichia coli into which such a gene was introduced was selected. The selected Escherichia coli is cultured under the same conditions, then collected by centrifugation, and pLD6-S. 7942FBP / SBPase (plasmid DNA) was purified. The composition in 1 L of LB medium is 10 g tryptone, 5 g yeast extract, and 5 g NaCl.
〔工程2〕pLD200−S.7942FBP/SBPaseの作製]
工程1で精製したpLD6−S.7942FBP/SBPaseを制限酵素NotI及びSalIで処理した後、S.7942FBP/SBPaseを含む断片をNotI上流とSalI下流にタバコ葉緑体ゲノムのrbcL遺伝子の一部とaccD遺伝子の一部を含む葉緑体形質転換用ベクターpLD200のNotIとSalI部位の間に挿入し、pLD200−S.7942FBP/SBPaseを作製した。この、pLD200−S.7942FBP/SBPaseを常法に従い大腸菌に導入した。この大腸菌を、スペクチノマイシンを添加したLB培地で37℃下、16時間培養し、かかる遺伝子が導入された大腸菌を選択した。選択された大腸菌を同様の条件で培養し、その後遠心分離により集菌し、常法に従いpLD200−S.7942FBP/SBPase(プラスミドDNA)を精製した(図1)。
[Step 2] pLD200-S. Preparation of 7942 FBP / SBPase]
The pLD6-S. After treating 7942FBP / SBPase with restriction enzymes NotI and SalI, S. A fragment containing 7942FBP / SBPase was inserted between NotI and SalI sites of the chloroplast transformation vector pLD200 containing part of the rbcL gene and part of the accD gene upstream of NotI and downstream of SalI. PLD200-S. 7942FBP / SBPase was prepared. This pLD200-S. 7942FBP / SBPase was introduced into E. coli according to a conventional method. This Escherichia coli was cultured in LB medium supplemented with spectinomycin at 37 ° C. for 16 hours, and Escherichia coli into which such a gene was introduced was selected. The selected Escherichia coli is cultured under the same conditions, then collected by centrifugation, and pLD200-S. 7942FBP / SBPase (plasmid DNA) was purified (FIG. 1).
〔工程3〕葉緑体形質転換体の作製
精製したpLD200−S.7942FBP/SBPaseをパーティクルガンによりタバコ葉緑体に導入し、葉緑体形質転換体を作製した。タバコ葉緑体形質転換は、既知の方法(Svab,Z.,Hajdukiewicz,P.and maliga,P.,Stable transformation of plastids in higher plants.Proc.Natl.Acad.Sci.USA,87,8526−8530(1990))に従い実施した。
[Step 3] Preparation of chloroplast transformant Purified pLD200-S. 7942FBP / SBPase was introduced into tobacco chloroplasts using a particle gun to prepare chloroplast transformants. Tobacco chloroplast transformation is performed according to a known method (Svab, Z., Hajdukiwicz, P. and maliga, P., Stable transformation of plastids in highger plants, Proc. Natl. Aci. (1990)).
スペクチノマイシン添加培地上での再分化後、PCRにより葉緑体ゲノム中にS.7942FBP/SBPaseの導入された形質転換体(pTpsbAFS)6系統を得ることが出来た。自家交配により作出したT1世代においても遺伝子の脱落は認めらなかった(図2)。抗S.7942FBP/SBPase抗体を用い、ウエスタンブロッティンクを行った結果、形質転換植物(pTpsbAFS)においてのみ、S.7942FBP/SBPaseの分子質量に一致する約40kDaの位置にシグナルが認められ、FBP/SBPaseが高発現していることが明らかになった(図3)。 After redifferentiation on a medium supplemented with spectinomycin, S. Six transformants (pTpsbAFS) introduced with 7942FBP / SBPase were obtained. Also in the T 1 generation, which were generated by the self-crossed falling off of the gene did not et al observed (Fig. 2). Anti-S. As a result of Western blotting using the 7942FBP / SBPase antibody, S. cerevisiae was found only in the transformed plant (pTpsbAFS). A signal was observed at a position of about 40 kDa corresponding to the molecular mass of 7942FBP / SBPase, and it was revealed that FBP / SBPase was highly expressed (FIG. 3).
播種10週及び18週後の植物を用い、FBPase活性の測定を行った。野生株に比べ、形質転換植物では約10−40倍高いFBPase活性を有していた(図4)。 FBPase activity was measured using plants 10 and 18 weeks after sowing. Compared to the wild strain, the transformed plant had FBPase activity that was about 10-40 times higher (FIG. 4).
播種12週後のT1世代を用い、CO2濃度360ppm条件下における光強度変化による光合成活性を測定した。その結果を図5に示す。形質転換体(pTpsbAFS−3及びpTpsbAFS−9)及び野生株(Wild−type)は、光強度約500mmol/m2/sで光合成速度がマキシマムとなり、以後その速度を維持した。マキシマムにおける形質転換体の光合成速度は、野生株の約2倍であった。 With T 1 generation after seeding 12 weeks, it was measured photosynthetic activity by the light intensity changes in CO 2 concentration 360ppm conditions. The result is shown in FIG. The transformants (pTpsbAFS-3 and pTpsbAFS-9) and the wild type (Wild-type) had a maximum photosynthetic rate at a light intensity of about 500 mmol / m 2 / s, and thereafter maintained that rate. The photosynthetic rate of the transformant in the maximum was about twice that of the wild type.
比較として、特開2000−253768号公報に記載の方法により、S.7942FBP/SBPaseを連結したプラスミドをアグロバクテリウム・ツメファシエンスLBA4404に導入し、タバコのリーフディスクに感染させた形質転換体(TpFS−3及びTPFS−6)を作製した。TpFS−3及びTPFS−6は、野生株に比較し、マキシマムにおける光合成速度は約1.2〜1.3倍程度で、pTpsbAFS−3及びpTpsbAFS−9の光合成速度より、非常に低かった。このことは、本発明の形質転換体は、野生株及び従来法による形質転換植物に比較して、光合成活性が非常に亢進していることを示すものである。 As a comparison, S.P. A plasmid ligated with 7942FBP / SBPase was introduced into Agrobacterium tumefaciens LBA4404 to prepare transformants (TpFS-3 and TPFS-6) infected with tobacco leaf discs. TpFS-3 and TPFS-6 had a maximum photosynthesis rate of about 1.2 to 1.3 times that of the wild type, which was much lower than that of pTpsbAFS-3 and pTpsbAFS-9. This indicates that the transformant of the present invention has significantly enhanced photosynthetic activity as compared to the wild strain and the transformed plant by the conventional method.
また、pTpsbAFS−3及びpTpsbAFS−9は、光強度約200mmol/m2/sで、野生株のマキシマムと、300mmol/m2/sで、TpFS−3及びTPFS−6のマキシマムと同程度の光合成速度を示した。このことは、本発明の形質転換植物は、光強度が低い場合でも、充分な光合成活性を有することを示すものである。 In addition, pTpsbAFS-3 and pTpsbAFS-9 have a light intensity of about 200 mmol / m 2 / s, a maximum of the wild type, and 300 nmol / m 2 / s, and the same level of photosynthesis as the maximum of TpFS-3 and TPFS-6. Showed speed. This indicates that the transformed plant of the present invention has sufficient photosynthetic activity even when the light intensity is low.
播種18週後の形質転換体の生育を野生株と比較したところ、野生株に比べ形質転換植物では明らかに生育が促進されており、最終的な生育は野生株の1.2〜1.3倍に達した(図6及び7)。また、形質転換体では野生株に比べ茎が太くなっており、根も著しく発達していた(図8)。さらに、生育18週後の形質転換体は、野生株の約1.5倍の大きさに成長していた。 When the growth of the transformant 18 weeks after sowing was compared with the wild strain, the growth was clearly promoted in the transformed plant compared to the wild strain, and the final growth was 1.2 to 1.3 of the wild strain. Doubled (Figures 6 and 7). In addition, the transformant had thicker stems and wild roots compared to the wild type (FIG. 8). Furthermore, the transformant after 18 weeks of growth grew to about 1.5 times the size of the wild strain.
このように、S.7942FBP/SBPase遺伝子をタバコ葉緑体ゲノムに導入することで、タバコの葉の光合成能を向上させることができた。さらにそのことにより、生育を促進させ、収穫量を増やすことが可能となった。 In this way, S.I. By introducing the 7942FBP / SBPase gene into the tobacco chloroplast genome, the photosynthetic ability of tobacco leaves could be improved. In addition, this made it possible to promote growth and increase the yield.
タバコ以外の植物種については、前記プラスミドpLD200−S.7942FBP/SBPをパーティクルガンによりその葉緑体に導入し、スペクチノマイシン添加培地上で耐性細胞を選択することにより、S.7942FBP/SBP遺伝子が導入され、発現する植物細胞を得ることができる。 For plant species other than tobacco, the plasmid pLD200-S. 7942FBP / SBP is introduced into the chloroplast by a particle gun and resistant cells are selected on a spectinomycin-supplemented medium. Plant cells expressing the 7942FBP / SBP gene can be obtained.
例えば、ナタネの子葉、ジャガイモの葉片、レタスの葉片、イネの葉片または胚性幹細胞等にパーティクルガンにより前記プラスミドを打ち込み、適当な濃度のスペクチノマイシン添加培地上で耐性細胞を選択することにより形質転換植物細胞を得ることができる。S.7942FBP/SBP遺伝子を導入、発現させて得られた細胞を、適当な条件で再分化させることにより、生育を促進する、向上した光合成能を有する植物体を得ることができる。ナタネに対する形質転換の条件は、Transgenic Research 12(1) p111−114(2003)に、ジャガイモに対する形質転換の条件は、Plant Journal 19(2) p.209−216(1999)に、イネに対する形質転換の条件は、Nature Biotechnology 17(9) p.910−915(1999)に、レタスに対する形質転換の条件は、Sympodium of Japanese Society for Plant Cell and Molecular Biology, 1Da−10, 2004に記載されている。 For example, the plasmid is injected into a rapeseed cotyledon, a potato leaf piece, a lettuce leaf piece, a rice leaf piece or an embryonic stem cell by a particle gun, and a resistant cell is selected on a medium containing spectinomycin at an appropriate concentration. Converted plant cells can be obtained. S. By redifferentiating cells obtained by introducing and expressing the 7942FBP / SBP gene under appropriate conditions, a plant body having improved photosynthetic ability that promotes growth can be obtained. The transformation conditions for rapeseed are Transgenic Research 12 (1) p111-114 (2003), and the transformation conditions for potato are Plant Journal 19 (2) p. 209-216 (1999), the conditions for transformation of rice were described in Nature Biotechnology 17 (9) p. In 910-915 (1999), conditions for transformation on lettuce are described in Symposium of Japan Society for Plant Cell and Molecular Biology, 1 Da-10, 2004.
その他の植物種についても同様に、パーティクルガンを用いて葉片または胚性幹細胞等に前記pLD200−S.7942FBP/SBP遺伝子を撃ち込み、スペクチノマイシン添加培地上で耐性株を選択し、再分化させることにより、形質転換植物体を得ることができる。スペクチノマイシンを用いての選択条件は、種々の濃度のスペクチノマイシンを添加した培地での増殖、再分化を観察することで容易に決定することができる。通常は野生型株が増殖できない濃度であって、できる限り低濃度を選択するのが好ましい。カルスから植物体への再分化条件は、通常の手法を用いて決定することができる。この選択は、例えば、オーキシンあるいはサイトカイニンの濃度を段階的に変えたマトリックスの培地を用いて行われて、再分化の最適条件が決められる。必要に応じて、ジベレリンやアミノ酸を添加する場合もある。現在では、多くの植物種でカルスから植物への再分化条件が決定されている。これらの植物に上に述べた葉緑体形質転換の手法を適用することにより、S.7942FBP/SBP遺伝子を導入、発現させた植物体を得ることができ、このものは生育を促進する光合成能が向上している。これまで再分化条件が確立していない植物種について再分化が将来可能になれば、本発明のベクターをそのような植物に適用して、S.7942FBP/SBP遺伝子を導入、発現させて、光合成能の向上により生育が促進された植物体を得ることができる。 Similarly, for other plant species, the above-mentioned pLD200-S. By transforming 7942FBP / SBP gene, selecting a resistant strain on a spectinomycin-added medium and redifferentiating, a transformed plant can be obtained. Selection conditions using spectinomycin can be easily determined by observing growth and redifferentiation in a medium supplemented with various concentrations of spectinomycin. Normally, it is preferable to select a concentration that is as low as possible, but at a concentration at which the wild type strain cannot grow. The regeneration condition from callus to plant can be determined using a normal method. This selection is performed using, for example, a matrix medium in which the concentration of auxin or cytokinin is changed stepwise, and the optimum conditions for redifferentiation are determined. If necessary, gibberellin or an amino acid may be added. At present, the regeneration conditions from callus to plant are determined in many plant species. By applying the chloroplast transformation techniques described above to these plants, Plants into which the 7942FBP / SBP gene has been introduced and expressed can be obtained, which has improved photosynthetic ability to promote growth. If re-differentiation becomes possible in the future for plant species for which re-differentiation conditions have not been established so far, the vector of the present invention is applied to such a plant. By introducing and expressing the 7942FBP / SBP gene, it is possible to obtain a plant whose growth is promoted by improving the photosynthetic ability.
本発明の遺伝子組み換え体を用いて形質転換された植物は、光合成活性が高く、早生あるいは高収量の作物として有用である。 Plants transformed with the genetic recombinants of the present invention have high photosynthetic activity and are useful as early-growing or high-yield crops.
Claims (11)
FBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質が
(a)配列表の配列番号5に記載のアミノ酸配列からなるタンパク質;
(b)配列表の配列番号5において、1又は数個のアミノ酸が欠失、置換、付加もしくは挿入されたアミノ酸配列を有し、かつFBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質;又は
(c)配列表の配列番号5に記載のアミノ酸配列と95%以上のアミノ酸残基が一致し、かつFBPase及びSBPase活性を有するタンパク質
であるか、又は
FBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質をコードする遺伝子が
(d)配列表の配列番号6に記載の塩基配列からなるDNA;
(e)配列表の配列番号6において、1又は数個の塩基が欠失、置換、付加もしくは挿入された塩基配列を有し、かつFBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質をコードするDNA;又は
(f)配列表の配列番号6に記載の塩基配列からなるDNAと相補的な塩基配列からなるDNAとストリンジェントな条件下でハイブリダイズし、かつFBPase活性及びSBPase活性を有するタンパク質をコードする塩基配列からなるDNA
である遺伝子組み換えベクター。Rubisco between subunit gene large subunit gene and acetyl CoA carboxylase, comprising a DNA fragment containing the gene coding psbA promoter, a protein having FBPase activity及beauty S BPase activity, and the rps16 terminator in this order,
A protein having FBPase activity and SBPase activity
(A) a protein comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 5 in the Sequence Listing;
(B) a protein having an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or inserted and having FBPase activity and SBPase activity in SEQ ID NO: 5 in the sequence listing; or
(C) a protein having an amino acid sequence of 95% or more identical to the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 5 in the sequence listing and having FBPase and SBPase activity
Or
A gene encoding a protein having FBPase activity and SBPase activity
(D) DNA consisting of the base sequence set forth in SEQ ID NO: 6 in the sequence listing;
(E) a DNA encoding a protein having a base sequence in which one or several bases are deleted, substituted, added or inserted in SEQ ID NO: 6 in the Sequence Listing and having FBPase activity and SBPase activity;
(F) a base that hybridizes under stringent conditions with a DNA consisting of a base sequence complementary to the DNA consisting of the base sequence shown in SEQ ID NO: 6 in the sequence listing and encodes a protein having FBPase activity and SBPase activity DNA consisting of sequences
A genetically modified vector.
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